喷雾干燥前超声预处理塞伊尔阿拉伯胶对界面行为与牛果油乳液稳定性的影响

《Food Hydrocolloids》：Ultrasound pretreatment of Acacia seyal gum arabic before spray drying: effects on interfacial behavior and avocado oil emulsion stability

　　

超声处理产生了浓度和功率依赖的功能窗口；10 min处理降低了界面张力（interfacial tension）并增大了Zeta电位绝对值；改性后的功能性在喷雾干燥（spray drying）和粉末复溶后仍得以保持；10 min处理使第21天平均Turbiscan不稳定指数（Turbiscan Stability Index, TSI）降低了约30%。

论文解读：超声预处理塞伊尔阿拉伯胶对界面行为及牛油果油乳液稳定性的影响

研究背景与意义

水包油乳液在食品体系中广泛用于分散和保护脂溶性成分，其物理稳定性取决于乳化剂在油–水界面的吸附能力、界面张力的降低、保护层形成以及对聚结、絮凝、乳析和澄清的抑制能力。阿拉伯胶作为一种重要的天然乳化剂，主要由阿拉伯半乳聚糖（arabinogalactan, AG）、阿拉伯半乳聚糖–蛋白质复合物（arabinogalactan–protein, AGP）和糖蛋白（glycoprotein, GP）组成，其乳化性能主要来源于AGP级分在界面上的锚定作用。然而，阿拉伯胶的功能性受分子量分布、蛋白质含量、分子构象、水合状态和超分子聚集状态共同影响，浓度单一变量并不能决定其最终性能。高强度超声是一种物理改性手段，可通过声空化产生局部剪切、湍流和微射流，从而改变水胶体的聚集状态、分子构象和水合特性，但超声效果往往不是线性改善，过度处理可能破坏界面膜所需的大分子结构。已有研究大多仅关注超声单独环节，而很少将超声预处理与加热、喷雾干燥、标准化复溶、乳化生产及长期储存整合考察。因此，本研究在可控的浓度–额定功率矩阵中，系统评价了超声预处理对阿拉伯胶喷雾干燥前分散液性质以及喷雾干燥后粉末复溶所得牛油果油乳液稳定性的影响，旨在寻找超声预处理与最终乳液功能之间的条件依赖关系。该论文发表于《Food Hydrocolloids》。

研究设计与技术方法

研究者采用产自苏丹科尔多凡地区的塞伊尔阿拉伯胶（Acacia seyal gum arabic，由Supergum提供，同一收获批次），配制20%、25%和30%（w/w）分散液，分别施加255、510和765 W额定功率的探头式超声（20 kHz）处理0、5、10和15 min，随后经92 °C/5 s加热、160 °C进风喷雾干燥，并将粉末复溶至20% w/w后制备牛油果油乳液（高剪切后高压微射流均质，100 MPa两遍）。主要关键技术包括：Ubbelohde毛细管粘度计测定特性粘度，并结合Mark–Houwink–Sakurada公式估算表观粘度平均分子量；旋转粘度计测定稳态剪切流变并用Cross模型拟合；悬滴法动态界面张力测定；电泳光散射测定Zeta电位；pH和电导率测定；Turbiscan静态多重光散射评价21天物理稳定性；激光衍射测定液滴尺寸分布。样本为单一收获批次的阿拉伯胶，排除了地理和季节变异。

研究结果

3.1 超声对阿拉伯胶分子尺寸的影响

通过稀溶液粘度法得到表观粘度平均分子量（M_η,app）作为流体力学尺寸指标，超声处理后该值由0.760 MDa（0 min）降至约0.663 MDa（10 min），15 min基本不变，呈类平台特征。分支B（20%胶、765 W）降幅最大（21.8%），分支C（30%胶、255 W）降幅仅1.8%。相同标称体积能量密度下，20%浓度样品的分子量降低幅度明显大于30%样品，指示高浓度体系的粘度和链拥挤抑制了空化效率。该结果基于特性粘度，不能区分链断裂、构象变化或解聚集，只能视为表观流体力学尺寸指标。

3.2 界面、电动力学和水相性质

所有分散液的界面张力随时间延长而下降。在1800 s平衡时间点，10 min处理使平均界面张力从15.04 mN/m降至11.25 mN/m，是各时间点中降幅最大者；5和15 min的处理也低于对照，但15 min没有进一步平均改善。高功率分支（B、D）在15 min出现部分回升，而低/中功率分支（A、C、E）继续下降。Zeta电位的负值绝对值在10 min平均增幅最大（-23.69至-29.32 mV），同样在高功率15 min出现部分逆转。pH略微下降约0.1个单位，电导率增加约12%。分支归一化分析显示，界面张力降低与Zeta电位绝对值增大之间存在强相关（重复测量相关系数r=0.938，p<0.001），但该关联不能证明因果关系。

3.3 稳态剪切粘度

Cross模型对流动曲线拟合良好（R2=0.980–0.990）。在20%浓度下，超声处理使低剪切粘度参数η₀升高，且在255 W下更持久；在30%浓度下，η₀明显降低，且在处理5和10 min时降幅最大。中心点E呈非单调响应。粘度响应与稀溶液表观分子量变化并不简单对应，说明浓溶液粘度还受水合、聚集和微观结构影响。

3.4 静态多重光散射评估的物理稳定性

21天储存期间，所有乳液的Turbiscan稳定性指数（TSI）均随时间上升。按五条分支平均，5 min处理在早期（第7天）平均TSI最低，但到第14和21天，10 min处理平均TSI最低。与0 min对照相比，10 min处理使第21天平均TSI降低约29.9%；5和15 min分别降低约7.8%和13.1%。分支层面，C-10和D-10的第21天TSI分别较各自对照降低48.7%和45.9%，E-10为全局最低TSI（1.175）。背部散射剖面显示上层正变化、下层负变化，表明油滴向上迁移形成乳析和下层澄清。TSI与顶部ΔBS（r=0.82）和底部ΔBS（r=-0.88）高度相关，说明TSI主要反映垂直相分离。

3.5 储存期间液滴尺寸演化

激光衍射显示平均D_v,50从第0天的0.353 μm增至第14天的1.020 μm，第21天略降至0.988 μm；体积加权平均直径D[4,3]呈现相同趋势。第21天时，10 min预处理产生最小的平均D_v,50（0.880 μm）和跨度（span 0.791）；5 min处理平均粒径最大（D_v,50=1.146 μm）且分布最宽。个体条件中，C-15（30%胶、255 W、15 min）取得最小最终粒径（D_v,50=0.714 μm，span=0.661），C-10和B-15也较优；B-5和E-15则出现明显粗颗粒尾端。第14天A-5出现瞬时D_v,50=2.756 μm但第21天回落，提示可逆絮凝或取样区域不均匀，而非单纯不可逆聚结。

3.6 结构–性质–功能关联

分支归一化分析表明，界面张力降低与Zeta电位绝对值增大同步；表观分子量变化与最终乳液指标排序不一致，说明阿拉伯胶乳化行为主要由分子间聚集、蛋白质级分和界面吸附能力主导，而非单一分子量。液滴粗化与垂直迁移并不完全平行，第21天TSI与D[4,3]相关性弱（r≈0.08），E-10的TSI最低但并非最小液滴，C-15最小液滴但TSI高于C-10，说明两种不稳定机制受不同因素控制。

讨论与结论

研究讨论指出，超声预处理效果取决于浓度、功率和时间，且高粘度介质削弱空化作用；适度超声可能解聚松散聚集体，提高界面活性级分的可及性和迁移能力，但过度处理可能破坏形成粘弹性界面网络所需的结构。所述机制均属假设，因未进行级分分离或分子量分布测定。研究强调所有粉末均复溶至相同胶浓度，因此差异来源于完整的加工历史。结论部分可翻译为：在所考察的20–30%阿拉伯胶和255–765 W额定功率筛选矩阵内，超声预处理引起特性粘度、浓溶液流变、界面张力和胶分散液Zeta电位变化，并导致加热、喷雾干燥、标准化复溶和乳液储存后的条件依赖性差异。表观流体力学尺寸在10 min后由0.760降至约0.663 MDa，但粘度法无法区分分子量分布、构象、水合或缔合效应。以五个分支平均而言，10 min是最有利的处理时间：1800 s界面张力由15.04降至11.25 mN/m，干燥前胶分散液Zeta电位由-23.69变为-29.32 mV，第21天TSI由2.834降至1.987。然而各端点最优条件不同，E-10使TSI最低，C-15使最终液滴最小，故10 min仅是该筛选矩阵内操作性有利的平均条件，并非普遍最优，也未经证明的分子机制。结果仅涉及物理稳定性，氧化稳定性尚待研究。